Pengubahsuaian Gear dan Analisis Sentuhan Jangkaian: Teras Pemindahan Presisi

1. Mengapa Gear Perlu Diubahsuai?

• Ralat pengeluaran & pemasangan : Sisihan dimensi dalam pemprosesan gear atau salah selarian semasa pemasangan menyebabkan kekacauan yang tidak sekata.
• Pemanjangan elastik : Apabila beban dikenakan, gear dan aci bengkok atau berpintal, menyebabkan kesan bersilang.
• Hentaman dinamik : Semasa pengacuan dan penyahacuan, perubahan mengejut pada kedudukan sentuhan menghasilkan hentaman, merosakkan filem minyak dan boleh menyebabkan permukaan gigi terbakar pada suhu tinggi.

2. Jenis-jenis Pengubahsuaian Gear

Butiran Utama Pengubahsuaian Biasa

• Pengubahsuaian jejak gigi : Memberi tumpuan kepada arah lebar gigi. Penyusunan mahkota (pengubah bentuk berbentuk gendang) adalah yang paling biasa—ia mencipta bentuk gendang yang sedikit pada permukaan gigi untuk mengimbangi lenturan poros di bawah beban, memastikan sentuhan yang sekata. Formula biasa untuk amaun penyusunan mahkota ialah: \(C_β = 0.5 × 10^{-3}b + 0.02m_n\) (di mana b = lebar gigi dalam mm; \(m_n\) = modul normal dalam mm).
• Pengubahsuaian profil gigi : Mengoptimumkan arah ketinggian gigi. Ia merangkumi pengubah panjang (dari permulaan/akhir penjajaran sehingga transisi gigi tunggal/ganda) dan pengubah pendek (separuh daripada panjang pengubah panjang). Kebanyakan gear logam menggunakan pengubah pendek untuk kecekapan yang lebih baik, manakala gear plastik biasanya menggunakan pengubah panjang.
• Pengubahsuaian komposit : Menggabungkan pengubah kesan alur gigi dan profil. Bagi senario kompleks seperti kotak gear kuasa angin, kaedah ini seimbangkan taburan beban, pengurangan hentaman, dan kestabilan dinamik, mencapai keputusan yang lebih baik berbanding pengubah tunggal.

3. Prinsip Reka Bentuk untuk Pengubah yang Berkesan

1. Prinsip pampasan beban : Jumlah pengubahsuaian ≈ ubah bentuk elastik + ralat pembuatan, memastikan permukaan gigi padan dengan sempurna di bawah beban sebenar.
2. Prinsip kelancaran dinamik : Ralat hantar puncak-ke-puncak ≤ 1μm/gred, meminimumkan gangguan getaran.
3. Prinsip keseimbangan sentuhan : Nisbah keluasan tapak sentuhan ≥ 60%, mengelakkan kepekatan tegasan.

4. Analisis Sentuhan Berselindung: Menilai Kesan Pengubahsuaian

Teori & Kaedah Utama

• Teori sentuhan Hertz : Mengira lebar separuh sentuhan dan taburan tegasan antara permukaan gigi, menjadi asas untuk analisis tegasan.
• Kaedah analisis berangka :
  • Kaedah analitikal: Pantas tetapi anggaran, sesuai untuk penganggaran awal.
  • Kaedah elemen terhingga: Ketepatan tinggi, ideal untuk analisis tegasan terperinci.
  • Kaedah sempadan elemen: Efisien untuk pengiraan tegasan sentuhan.
  • Dinamik kebanyakan jasad: Menilai prestasi dinamik sistem di bawah keadaan operasi.

Penunjuk Penilaian Utama

• Tegasan sentuhan maksimum (σHmax) : Berkaitan secara langsung dengan jangka hayat keletihan permukaan gigi.
• Faktor bentuk tapak sentuhan (λ) : Nisbah panjang-lebar kawasan sentuh, mencerminkan keseragaman beban.
• Ralat transmisi (TE) : Jarak tambahan yang diperlukan untuk penjajaran disebabkan oleh ubah bentuk/ralat, sumber utama getaran.

5. Kesan Praktikal Pengubahsuaian: Kajian Kes

• Gear kotak pemindah kuasa angin (lebar gigi 200mm) : Dengan peningkatan jumlah pelengkungan (0→30mm), tekanan sentuh maksimum berkurang dari 1250MPa kepada 980MPa, dan pecutan getaran menurun dari 15.2m/s² kepada 9.5m/s².
• Transmisi kenderaan (modul 3.5) : Pengubahsuaian profil parabola mengurangkan hentaman sebanyak 35% dan bising sebanyak 3.2dB; pengubahsuaian lengkung tertib tinggi mencapai pengurangan hentaman sebanyak 52%.
• Gear penerbangan angkasa : Pengubahsuaian komposit mengurangkan ketidaksamaan tegasan sentuhan daripada 58% kepada 22%, ralat transmisi puncak-ke-puncak daripada 2.4μm kepada 1.1μm, dan tenaga getaran pada 2000rpm sebanyak 68%.

6. Aplikasi & Pengesahan Kejuruteraan

• Kaedah kesan statik : Menggunakan cat plumbum merah (ketebalan 10-20μm) di bawah 30% tork kadar untuk memerhatikan tompok sentuhan.
• Sistem ujian dinamik : Pengesan sesaran gentian optik (resolusi 0.1μm) dan termometer inframerah kelajuan tinggi (persampelan 1kHz) memantau penjajaran masa sebenar.

• Pemegun kenderaan elektrik : Pengubahsuaian profil tidak simetri (+5μm di sisi beban) dan pemeteran hujung gigi 30°×0.2mm berjaya mengurangkan bising sebanyak 7.5dB(A) serta meningkatkan kecekapan sebanyak 0.8%.
• Gearbox marin : Crowning besar (40μm) dan pembetulan sudut heliks kompensasi (β'=β+0.03°) meningkatkan keseragaman tegasan sentuh kepada <15% dan memperpanjang jangka hayat sebanyak 2.3 kali.

Kesimpulan

• Jumlah crowning yang optimum biasanya adalah 1.2-1.5 kali darjah penghanyutan elastik.
• Pengubahsuaian komposit memberi prestasi yang lebih baik sebanyak 30-50% berbanding pengubahsuaian tunggal.
• Pengubahsuaian mesti berpandukan spektrum beban sebenar dan disahkan melalui ujian tompokan sentuh.